Sisu
- Paramagneetilised vs. diamagneetilised elemendid
- Arvutamine, kas element on paramagnetiline või diamagnetiline
- Paramagneetiliste aatomite loetelu
- Paramagneetilised ühendid
Kõik aatomid reageerivad mingil viisil magnetväljadele, kuid sõltuvalt tuuma ümbritsevate aatomite konfiguratsioonist reageerivad nad erinevalt. Sõltuvalt sellest konfiguratsioonist võib element olla diamaatiline, paramagnetiline või ferromagnetiline. Diamagnetilisi elemente - mis teatud määral on need kõik - tõrjuvad nõrgalt magnetväli, samas kui paramagneetilised elemendid on nõrgalt ligitõmbavad ja võivad muutuda magnetiseeritud. Ferromagnetilistel materjalidel on ka võimalus magnetiseeruda, kuid erinevalt paramagneetilistest elementidest on magnetiseerumine püsiv. Nii paramagnetism kui ka ferromagnetism on tugevamad kui diamagnetism, nii et elemendid, millel on kas paramagnetism või ferromagnetism, ei ole enam diamagnetilised.
Toatemperatuuril on ainult mõned elemendid ferromagnetilised. Nende hulka kuuluvad raud (Fe), nikkel (Ni), koobalt (Co), gadoliinium (Gd) ja - nagu teadlased hiljuti avastasid - ruteenium (Ru). Püsimagneti saate teha ükskõik millise neist metallidest, paljastades selle magnetväljaga. Paramagneetiliste aatomite loetelu on palju pikem. Paramagnetiline element muutub magnetvälja juuresolekul magnetiliseks, kuid see kaotab oma magnetomadused kohe, kui välja eemaldate. Sellise käitumise põhjuseks on ühe või mitme paarimata elektroni olemasolu orbiidi väliskehas.
Paramagneetilised vs. diamagneetilised elemendid
Üks olulisemaid avastusi teaduses viimase 200 aasta jooksul on elektrienergia ja magnetiliste ühenduste seos. Kuna igal aatomil on negatiivselt laetud elektronide pilv, on sellel potentsiaalsed magnetomadused, kuid see, kas sellel on ferromagnetilisus, paramagnetism või diamagnetism, sõltub nende konfiguratsioonist. Selle hindamiseks on vaja mõista, kuidas elektronid otsustavad, millised orbiidid tuuma ümber hõivata.
Elektronidel on kvaliteet, mida nimetatakse spinniks, mida saate pöörlemissuunaks visualiseerida, ehkki see on keerulisem. Elektronidel võib olla "tsentrifuugimine" (mida saate visualiseerida pöördena päripäeva) või "tsentrifuugimine" (vastupäeva). Nad paigutuvad suurenevatesse, rangelt määratletud kaugustesse tuumadest, mida nimetatakse kestadeks, ja iga kesta sees on alakehad, millel on diskreetne arv orbitaale, mida saab hõivata maksimaalselt kaks elektronit, millest igaühel on vastassuunalised spinnid. Väidetavalt on kaks orbitaali hõivavat elektronit paaris. Nende keerutused tühistatakse ja nad ei loo võrgumagnetimomenti. Seevastu üks orbitaali hõivav elektron on paarimata ja selle tulemuseks on netomagnetmoment.
Diamagneetilised elemendid on paarimata elektronideta elemendid. Need elemendid on nõrgalt vastu magnetväljale, mida teadlased demonstreerivad sageli diamagnetilise materjali, näiteks püroliitgrafiidi või konna (jah, konn!) Levitades tugeva elektromagneti abil. Paramagneetilised elemendid on need, millel on paarimata elektronid. Need annavad aatomile neto magnetilise dipoolmomendi ja välja rakendamisel joonduvad aatomid väljaga ja element muutub magnetiliseks. Välja eemaldamisel sekundeerib soojusenergia joondamise juhuslikuks muutmiseks ja magnetism kaob.
Arvutamine, kas element on paramagnetiline või diamagnetiline
Elektronid täidavad tuuma ümbritsevaid kesta viisil, mis minimeerib netoenergia. Teadlased on avastanud kolm reeglit, mida nad selle järgimisel järgivad, mida nimetatakse Aufbrau põhimõtteks, Hundi reegliks ja Pauli välistamise põhimõtteks. Neid reegleid rakendades saavad keemikud kindlaks teha, mitu elektronit hõivab iga tuuma ümbritseva alakeha.
Et teha kindlaks, kas element on diamagnetiline või paramagnetiline, on vaja vaadata ainult valentselektrone, mis hõivavad kõige välimise alakeha. Kui välimine alamkell sisaldab paarimata elektronidega orbitaale, on element paramagnetiline. Vastasel juhul selle diamagnetiline. Teadlased tuvastavad alamkehad s, p, d ja f. Elektronkonfiguratsiooni kirjutamisel eeldatakse tavapärases tabelis kõnealusele elemendile eelnevate väärisgaaside valentselektronite ees valentselektrone. Väärisgaasid on täielikult täitnud elektronorbitaalid, mistõttu nad on inertsed.
Näiteks magneesiumi (Mg) elektronkonfiguratsioon on 3s2. Äärepoolseim alamkell sisaldab kahte elektroni, kuid need on paarimata, seega on magneesium paramagnetiline. Teisest küljest on tsingi (Zn) elektronkonfiguratsioon 4s23d10. Selle väliskeses pole paarimata elektrone, seega on tsink diamagnetiline.
Paramagneetiliste aatomite loetelu
Iga elemendi magnetilisi omadusi võiksite arvutada, kirjutades välja nende elektronide konfiguratsioonid, kuid õnneks ei pea te seda tegema. Keemikud on juba koostanud paramagnetiliste elementide tabeli. Need on järgmised:
Paramagneetilised ühendid
Kui aatomid ühinevad ühendite moodustamiseks, võivad mõned neist ühenditest ilmneda ka paramagnetismi samal põhjusel, mida teevad elemendid. Kui ühendite orbitaalides on üks või mitu paarimata elektroni, on ühend paramagnetiline. Näited hõlmavad molekulaarset hapnikku (O2), raudoksiidi (FeO) ja lämmastikoksiidi (NO). Hapniku korral on seda paramagnetismi võimalik näidata tugeva elektromagneti abil. Kui valate sellise magneti pooluste vahele vedelat hapnikku, koguneb hapnik pooluste ümber aurustumisel, moodustades hapniku gaasipilve. Proovige sama katset vedela lämmastikuga (N2), mis pole paramagnetiline ja sellist pilvi ei teki.
Kui soovite koostada paramagneetiliste ühendite nimekirja, peaksite uurima elektronide konfiguratsioone. Kuna nende paaritamata elektronid välimises valentskestades, mis annavad paramagneetilisi omadusi, võiksid selliste elektronidega ühendid nimekirja koostada. Kuid see pole alati tõsi. Hapniku molekuli korral on paarisarv valentselektrone, kuid need kõik hõivavad madalama energia oleku, et minimeerida molekuli üldist energia olekut. Kõrgemas orbitaalis paikneva elektronpaari asemel on madalamates orbitaalides kaks paarimata elektronit, mis muudab molekuli paramagneetiliseks.